中國儲能網(wǎng)訊：熱能是能源的重要組成部分，全球約90%能源是熱能的轉(zhuǎn)換、傳輸和儲存。隨著“雙碳”目標的提出，儲能成為促進新能源大規(guī)模、高質(zhì)量發(fā)展的新動能，其中熱儲能是儲能中最具有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。分析國內(nèi)外熱儲能最新發(fā)展動態(tài)，重點介紹熔鹽儲熱和固體儲熱的典型應(yīng)用場景和發(fā)展建議。熱儲能可為綠電供熱提供熱能儲存，解決綠電供熱成本高的問題，也為新型電力系統(tǒng)提供巨大的可調(diào)節(jié)負荷資源。
隨著以新能源為主的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，儲能成為清潔能源和可再生能源全面開發(fā)與利用的關(guān)鍵技術(shù)。為新能源發(fā)電系統(tǒng)配置儲能系統(tǒng)可有效解決電網(wǎng)穩(wěn)定運行、電量平衡、可再生能源消納等領(lǐng)域的技術(shù)難題，在促進能源變革和新的能源商業(yè)形態(tài)及商業(yè)模式發(fā)展方面起著重要作用。
《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》中指出，要加大力度發(fā)展電源側(cè)新型儲能，因地制宜發(fā)展電網(wǎng)側(cè)新型儲能，合理疏導(dǎo)新型儲能成本，強化儲能前沿科技攻關(guān)，實施科技創(chuàng)新示范工程。本文分析了國內(nèi)外熱儲能的最新發(fā)展動態(tài)，重點介紹熔鹽儲熱和固體儲熱的典型應(yīng)用場景和發(fā)展建議。
1 儲能分類及特點
儲能可將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、動能、電磁能、熱能等形態(tài)儲存，分為機械物理儲能、電磁儲能、電化學(xué)儲能及熱儲能，如表1所示。
抽水儲能在電站中配有上游和下游2個蓄水池，在用電低谷期抽水蓄能裝置工作在電動機運行狀態(tài)，將下游蓄水池中的水抽到上游蓄水池中儲存;在用電高峰期抽水蓄能裝置工作在發(fā)電機運行狀態(tài)，利用儲存在上游蓄水池中的水發(fā)電。該技術(shù)已發(fā)展成熟，但在建造初期選址時對地形地貌要求嚴格，在施工時有一定的難度，建設(shè)周期長，資源總量不足以支撐“雙碳”需求。
壓縮空氣儲能是將剩余電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在地下儲能系統(tǒng)中，如廢棄礦井、天然洞穴中，在用電高峰期通過高壓空氣膨脹做功來發(fā)電。該技術(shù)安全系數(shù)高，成本低于抽水儲能，但能量密度低、效率低。
飛輪儲能是利用剩余電能驅(qū)動飛輪快速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為動能儲存，在用電高峰期通過飛輪慣性帶動發(fā)電機發(fā)電，將儲存動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，供給外部負荷。該技術(shù)要求空載損耗率非常小，功率密度高、響應(yīng)速度快，但成本高，現(xiàn)處于示范項目階段，未來應(yīng)用有待突破。
鋰離子電池儲能利用Li+向正極或負極遷移實現(xiàn)充放電。該技術(shù)能量密度高、技術(shù)成熟、安裝維護工作量小，但安全性方面仍需進一步提升。
液流電池儲能主要由電解液罐、電堆、泵等組成，利用電解液流過電池正負極表面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)儲能功能。該技術(shù)配置靈活、循環(huán)壽命長、安全性高，但造價成本高。
鉛炭電池儲能是在傳統(tǒng)的鉛酸電池負極中添加活性炭，使鉛酸電池和超級電容器技術(shù)合二為一，可以有效提高鉛酸電池使用壽命。該技術(shù)充放電速度快、壽命長，但售價比鉛酸電池高。
氫儲能是利用多余電能制氫，將氫能儲存，需要時利用燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能，再反饋到電網(wǎng)。該技術(shù)成本高、整體效率低，但無污染，未來應(yīng)用前景廣闊。
超導(dǎo)電磁儲能是將電磁能直接儲存在超導(dǎo)線圈中，需要時再將電磁能反饋到電網(wǎng)。該技術(shù)充放電速度快、功率密度高，但使用的材料價格昂貴、成本較高。
超級電容器儲能根據(jù)電化學(xué)雙電層理論設(shè)計，該技術(shù)使用壽命長、充放電速度快、效率高，但儲存能量較少、投資成本高，并有一定的自放電率。
2 熱儲能重要性
熱儲能是儲能中最具有應(yīng)用前景的技術(shù)之一，以各種儲熱材料為介質(zhì)，將太陽光熱、地?zé)?、工業(yè)回收的余熱、生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱能儲存，或者將剩余電能轉(zhuǎn)換為熱能儲存，需要時再釋放出來。該技術(shù)可以有效解決熱能供給和需求不匹配的問題，提高系統(tǒng)能源利用率。
熱儲能儲放過程無化學(xué)反應(yīng)、技術(shù)參數(shù)及過程可控、系統(tǒng)安全性高及儲能密度高，可用于以清潔能源和新能源為主的新型電力系統(tǒng)，通過大容量儲熱可以實現(xiàn)熱電解耦，增加火電機組靈活性，還可以消納間歇性、隨機性、波動性的新能源裝機出力，實現(xiàn)電網(wǎng)負荷移峰填谷的作用。
此外，熱儲能還可應(yīng)用在太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)中，將夏天的太陽光熱儲存，用于冬天供暖使用，實現(xiàn)“零碳供熱”。
3 新型電力系統(tǒng)的熱儲能技術(shù)
儲熱可分為顯熱儲熱、相變儲熱和熱化學(xué)儲熱。其中，顯熱儲熱是利用介質(zhì)溫度變化過程中吸收與釋放熱量來實現(xiàn)熱能儲放，該技術(shù)成熟度高、價格低、應(yīng)用廣泛;相變儲熱是目前研究熱點，是利用介質(zhì)物態(tài)變化過程中吸收和釋放的大量潛熱來儲放熱能;熱化學(xué)儲熱尚處于研究階段，是利用介質(zhì)在接觸時發(fā)生的可逆化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)熱能儲放。
3.1熔鹽儲熱
熔鹽是一種導(dǎo)熱介質(zhì)，為在標準溫度和大氣壓下呈固態(tài)，溫度升高后呈液態(tài)的鹽類。通過對熔鹽進行加熱、升溫、取熱、降溫的一系列操作實現(xiàn)熱能儲放，屬于顯熱儲熱和相變儲熱的結(jié)合，該技術(shù)傳熱性能好、穩(wěn)定性好、儲熱密度高、系統(tǒng)安全可靠，可廣泛應(yīng)用于太陽能光熱發(fā)電、火電機組調(diào)峰調(diào)頻、供暖與余熱回收利用等領(lǐng)域。
電網(wǎng)側(cè)熔鹽儲能由于規(guī)模較大，可儲存棄風(fēng)電力、棄光電力和低谷電力，進行新能源消納，提高電廠靈活性;用戶側(cè)可直接參與清潔供熱和工業(yè)供汽。經(jīng)過光熱電站配套儲能系統(tǒng)的市場培育，熔鹽儲熱現(xiàn)已發(fā)展成熟。
該技術(shù)已成功應(yīng)用于天圣集團綠電熔鹽儲能項目，為全國首例將谷電轉(zhuǎn)化為熱能儲存，在峰電時再利用熱能進行發(fā)電的熔鹽儲能項目，是規(guī)?；埯}儲能在用戶側(cè)的示范性探索。熔鹽儲能可在低谷時段消納富余電能，尖、高峰時段對外供熱、供電，為保障民生可靠用電安上“雙保險”。
3.2固體儲熱
固體儲熱屬于顯熱儲熱，包括基巖儲熱、硅儲熱、鋼儲熱、混凝土儲熱和巖石儲熱等。
a.基巖儲熱
基巖儲熱是在地下的基巖上埋管敷設(shè)換熱器，將太陽能集熱器捕捉到的熱量儲存在基巖中，通過循環(huán)流體與土壤換熱，實現(xiàn)能量的儲存和提取。適用于大規(guī)模、長時間、季節(jié)性儲能，可有效解決太陽能季節(jié)性差異問題，提高太陽能利用率。該技術(shù)已成功應(yīng)用于廣州南沙“多位一體”微能源網(wǎng)示范項目，實現(xiàn)了國內(nèi)首套基巖儲能系統(tǒng)在跨季節(jié)儲能上的應(yīng)用。
b.硅儲熱
硅是儲量第二多的元素，因為儲量大所以價格便宜，該技術(shù)是用熔點高達1414℃的熔融硅儲存間歇性的可再生能源的熱量，儲存溫度比鹽高得多，容量和效率更高。但純硅特性是在熔化時體積縮小、凝固時體積膨脹，對此需要研發(fā)出限制體積膨脹的相變材料，從而增加潛熱值降低熔點。澳大利亞1414 Degrees公司正在開發(fā)以熔融硅為主要材料的熱能存儲系統(tǒng)SiBox，該系統(tǒng)由存儲介質(zhì)的模塊、加熱元件和熱交換器等組成，用熱空氣形式回收儲存熱能，SiBox從電網(wǎng)吸收低成本的可再生能源，將其作為熱能存儲在硅存儲介質(zhì)SiBrick中。與其他相變材料相比，硅的能量密度高、占地面積小，不需要恒定的輸入功率，使其成為替代化石燃料的理想材料之一。
c.鋼儲熱
鋼儲熱核心模塊由結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)成，該技術(shù)可將剩余的、波動性的風(fēng)電和光電儲存為熱能。該熱能既可用于工業(yè)高溫蒸汽，也可用在區(qū)域供熱中。
德國Lumenion公司生產(chǎn)的以鋼制儲存模塊為核心的高溫儲能系統(tǒng)(thermal energy storage，TES)，可同時充電和放電，具有極高的效率。在非用電高峰期時，電阻加熱器將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過氣體回路傳遞到鋼金屬存儲單元。鋼金屬可加熱到600℃，并且每天能量損失不足1%，熱能幾乎可以完全回收利用，具有很高的剩余價值。儲存的熱能可在需要時釋放，除了滿足峰值需求還可作為備用系統(tǒng)使用。
d.混凝土儲熱
混凝土儲熱以混凝土為主要材料構(gòu)成，該技術(shù)材料成本低、儲熱性能好，是太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的理想儲熱介質(zhì)之一。
混凝土儲熱是冷熱流體交替的周期性循環(huán)儲熱系統(tǒng)，在混凝土中安裝金屬管作為傳熱流體管道。在吸熱階段熱流體加熱儲熱體，混凝土儲熱;在放熱階段冷流體流過儲熱體，混凝土放熱。
北京兆陽光熱技術(shù)有限公司開發(fā)的混凝土熱儲能系統(tǒng)由配方混凝土、換熱管道、保溫系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)耐高溫、安全可靠、低成本、無污染、模塊化結(jié)構(gòu)、無易燃易爆。由該公司承建的華強兆陽張家口1號15 MW光熱電站采用混凝土儲能，該項目成功投運標志著大規(guī)模儲能輸出穩(wěn)定可靠的平價清潔能源時代已經(jīng)到來。
e.巖石儲熱
巖石儲熱是一種高溫?zé)崮艽鎯夹g(shù)，采用價格便宜、易于獲取且潔凈環(huán)保的固態(tài)碎石為原料，將熱能儲存在固態(tài)碎石中。
以色列Brenmiller Energy公司生產(chǎn)制造的bGen采用巖石儲熱，該技術(shù)能夠存儲多種形式的熱或電，分為電源充電和熱源充電。用電低谷時，光電和風(fēng)電產(chǎn)生的剩余電力可以為bGen充電，嵌入式電加熱器再將電輸入轉(zhuǎn)換為高溫?zé)崮軆Υ?，這是電源充電過程。熱源充電過程是將工業(yè)余熱，生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱能或其他熱源給bGen充電，將熱量儲存在bGen TM模塊化的子單元中，并根據(jù)需要提供水蒸氣或熱空氣。這種可持續(xù)的TES產(chǎn)品能夠降低發(fā)電廠、制造業(yè)和商業(yè)設(shè)備的碳排放，稱為無碳熱儲存，可以無限循環(huán)使用30年，其性能不會下降。
4 結(jié)語
目前，熱儲能技術(shù)具有應(yīng)用范圍廣、綠色環(huán)保、安全穩(wěn)定等特點，不僅用于太陽能熱發(fā)電、火電機組改造，還可通過回收余熱實現(xiàn)跨季節(jié)儲熱，夏儲冬用，解決季節(jié)供需不平衡的問題。將風(fēng)電、光電、光熱、熱泵等多種能源有機耦合，實現(xiàn)能源的長期高效儲存，達到最優(yōu)化清潔供熱供電的目的。
未來，熱儲能技術(shù)將繼續(xù)朝著高效率、低成本、安全性能高、長壽命、規(guī)?；较虬l(fā)展，助力形成以電能為核心、多種能源為一體的能源互聯(lián)網(wǎng)，為大型可再生能源消納和一體化能源服務(wù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
本文轉(zhuǎn)自《東北電力技術(shù)》，作者：王芳/新疆昌吉職業(yè)技術(shù)學(xué)院。
